一種仿生機(jī)器魚用測(cè)量平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及一種仿生機(jī)器魚用測(cè) 量平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的不斷進(jìn)步,仿生學(xué)發(fā)展極為迅速,其中仿生機(jī)器魚是水下機(jī)器魚中較 為常用的一種,由于實(shí)驗(yàn)空間的范圍有限,高速相機(jī)的視場(chǎng)無(wú)法覆蓋整個(gè)水槽,為了確保機(jī) 器魚整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都處在高速相機(jī)的視野內(nèi),以滿足相關(guān)實(shí)驗(yàn)研宄的需要,需要設(shè)計(jì)一種 基于視覺(jué)跟蹤的X-Y雙坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái),采用序列圖像法來(lái)獲得機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù),作 為控制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的依據(jù),通過(guò)機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速 度,最后將獲得的相對(duì)速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī),帶動(dòng)平臺(tái)上方攝像 頭移動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí)時(shí)跟蹤,從而方便對(duì)仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研宄。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 針對(duì)以上問(wèn)題,本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器魚測(cè)量平臺(tái),該測(cè)量平臺(tái)是基于視 覺(jué)跟蹤的X-Y雙坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái),其采用序列圖像法來(lái)獲得機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù),作為控 制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的依據(jù),通過(guò)機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度,最 后將獲得的相對(duì)速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī),帶動(dòng)平臺(tái)上方攝像頭移 動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí)時(shí)跟蹤,進(jìn)而方便對(duì)仿生機(jī)器魚進(jìn)行運(yùn)動(dòng)研宄,為達(dá)此目的,本實(shí)用新型 提供一種仿生機(jī)器魚用測(cè)量平臺(tái),包括底座、底部支架、導(dǎo)軌支架、吊架、橫向絲桿固定座、 固定架、高速相機(jī)、USB攝像頭、橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)、橫向絲桿、活動(dòng)支架、縱向運(yùn)動(dòng)控制電 機(jī)、吊架活動(dòng)固定座、縱向絲桿和縱向絲桿固定座,所述底座固定在水槽一側(cè),所述底座靠 水槽一側(cè)的側(cè)邊上方有條形的底部支架,所述底部支架內(nèi)有橫向貫通的U型卡槽,所述底 部支架的兩個(gè)側(cè)邊上各固定有一條導(dǎo)軌支架,所述底部支架的U型卡槽內(nèi)有橫向運(yùn)動(dòng)控制 電機(jī),所述橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器與橫向絲桿一端相連,所述橫向絲桿另一 端的端部固定在橫向絲桿固定座的通孔內(nèi),所述橫向絲桿固定座底部固定在底部支架的U 型卡槽內(nèi),所述活動(dòng)支架在導(dǎo)軌支架的導(dǎo)軌上,所述活動(dòng)支架沿導(dǎo)軌支架的導(dǎo)軌橫向運(yùn)動(dòng), 所述橫向絲桿固定座穿過(guò)活動(dòng)支架底部的螺紋孔,所述活動(dòng)支架內(nèi)有縱向貫通的U型卡 槽,所述活動(dòng)支架的兩個(gè)側(cè)邊上均有導(dǎo)軌,所述活動(dòng)支架的U型卡槽內(nèi)有縱向運(yùn)動(dòng)控制電 機(jī),所述縱向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器與縱向絲桿一端相連,所述縱向絲桿另一端 的端部固定在縱向絲桿固定座的通孔內(nèi),所述縱向絲桿固定座底部固定在活動(dòng)支架的U型 卡槽內(nèi),所述吊架活動(dòng)固定座在活動(dòng)支架的導(dǎo)軌上,所述吊架活動(dòng)固定座沿活動(dòng)支架的導(dǎo) 軌縱向運(yùn)動(dòng),所述活動(dòng)支架上固定有L型的吊架,所述吊架上方的伸出端朝水槽一側(cè),所述 吊架上方的伸出端的下方有固定架,所述固定架朝外一側(cè)固定安裝有高速相機(jī),所述固定 架另一側(cè)固定安裝有USB攝像頭。
[0004] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn),所述底部支架的U型卡槽內(nèi)有橫向絲桿限位座,所 述橫向絲桿穿過(guò)橫向絲桿限位座的通孔,所述活動(dòng)支架的U型卡槽內(nèi)有縱向絲桿限位座, 所述縱向絲桿穿過(guò)縱向絲桿限位座的通孔,為了防止絲桿工作過(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)可設(shè)置限位 座。
[0005] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn),所述吊架的彎折部?jī)?nèi)有加強(qiáng)支撐板,為了提高彎折 部強(qiáng)度可設(shè)置加強(qiáng)支撐板。
[0006] 本實(shí)用新型一種仿生機(jī)器魚用測(cè)量平臺(tái)的使用方法,具體步驟如下:
[0007] 步驟一:使用USB攝像頭拍攝仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)軌跡,然后進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)采 集;
[0008] 步驟二;對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)序列圖像法處理獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù);
[0009] 具體處理方式如下:
[0010] 1)對(duì)USB攝像頭采集的視頻圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀?。?br>[0011] 2)對(duì)所得到的序列圖像進(jìn)行預(yù)處理,先通過(guò)灰度化將所拍攝到的彩色圖像變成以 256色灰度表示的灰度圖像,再進(jìn)行二值化處理獲得機(jī)器魚的位置信息;
[0012] 3)對(duì)預(yù)處理過(guò)后的序列圖像采用區(qū)域生長(zhǎng)算法分割出機(jī)器魚目標(biāo)區(qū)域;
[0013] 4)基于圖像分割的目標(biāo)特征提取,并計(jì)算出重心位置的坐標(biāo)變化;
[0014] 5)在生長(zhǎng)區(qū)域完成之后,原先二值化圖像處理之后置為1的區(qū)域,被依據(jù)連通性 分成了不同的子區(qū)域,并設(shè)置了不同標(biāo)記,根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,機(jī)器魚就是最大的一個(gè)子 區(qū)域,該區(qū)域的重心可近似的當(dāng)成機(jī)器魚的重心,在單位時(shí)間內(nèi),根據(jù)計(jì)算重心位置的變 化,從而求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度;
[0015] 步驟三:通過(guò)串口將處理好的運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)送給PC機(jī);
[0016] 步驟四:上位機(jī)發(fā)送命令給PMAC卡;
[0017] 步驟五:移動(dòng)臺(tái)移動(dòng),實(shí)現(xiàn)跟蹤目的。
[0018] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn),采用的圖像灰度化公式為:,其中R-該像素紅色分 量的值;G-該像素綠色分量的值;B-該像素藍(lán)色分量的值,本實(shí)用新型采用以上常用的 灰度化公式對(duì)圖案進(jìn)行灰度化處理。
[0019] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn),步驟二中二值化處理方式如下:
[0020] 處理過(guò)程中根據(jù)下列的閾值處理來(lái)進(jìn)行:
[0021]
[0022] 而對(duì)于閾值的選取,使用迭代的方法來(lái)求最佳閾值分割圖像,步驟如下:
[0023] ( 1)選取初始閾值I;,選擇整幅圖像的平均灰度值作為初始閾值;
[0024] (2)用I;分割圖像,將圖像分割成兩個(gè)區(qū)域M:和M2,Mi為灰度值大于T^的像素組 成的前景區(qū)域,M2為灰度值小于T^的像素組成的背景區(qū)域;
[0025] (3)計(jì)算兩區(qū)域,Mi區(qū)域和^區(qū)域的所有像素的平均灰度值,其中NJPN2分別為 這兩區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),表示圖像中點(diǎn)的灰度值;
[0026]
[0027] (4)再計(jì)算新的閾值T1;
[0028]
[0029] (5)比較初始閾值和新的閾值,求出它們的差A(yù)T;
[0030]
[0031] (6)當(dāng),&為預(yù)先規(guī)定的一個(gè)很小的正數(shù),即迭代過(guò)程中前后兩次的閾值 很接近,迭代停止,否則重復(fù)(2)- (4)過(guò)程,最后的1\即為所求的最佳閾值,本實(shí)用新型需 要對(duì)圖形進(jìn)行二值化處理,可采用以上處理方法進(jìn)行處理。
[0032] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn),步驟二中區(qū)域生長(zhǎng)算法如下:先選擇步長(zhǎng)為10的遍 歷方法判斷尋找種子點(diǎn),對(duì)于像素點(diǎn)(x,y)判斷其是否為種子點(diǎn),如果不是令X=X+10,判 斷是否越界,如果不越界重新進(jìn)行種子點(diǎn)判斷,如果越界令y=y+l〇,判斷是否越界,如果不 越界重新進(jìn)行種子點(diǎn)判斷,如果再越界結(jié)束判斷,如果判斷到是種子點(diǎn),記錄下此像素點(diǎn)坐 標(biāo),并標(biāo)記此點(diǎn);
[0033] 再進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng),記錄種子點(diǎn)附近所有符合的點(diǎn),組成子區(qū)域,并處理子區(qū)域橫縱 坐標(biāo)值,計(jì)算出此區(qū)域的重心位置坐標(biāo),本實(shí)用新型區(qū)域生長(zhǎng)算法可采用以上算法,以上算 法,算法精簡(jiǎn),可以快速判斷種子點(diǎn)。
[0034] 本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器魚測(cè)量平臺(tái),其將高速相機(jī)和普通的USB攝像 頭相鄰固定在滾珠絲杠移動(dòng)平臺(tái)上,USB攝像頭所能采集圖像的范圍就是USB攝像頭拍攝 的視野,調(diào)整X-Y雙坐標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置使USB攝像頭拍攝的視野覆蓋整個(gè)機(jī)器魚,即此跟蹤 系統(tǒng)的跟蹤目標(biāo)。在USB拍攝的視野中,用USB攝像頭采集機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)圖像,然后系統(tǒng)對(duì)圖 像進(jìn)行處理,根據(jù)圖像中機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度,最后 將獲得的相對(duì)速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí)時(shí)跟蹤,從而 確保機(jī)器魚整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都處在高速相機(jī)的視場(chǎng)里,該測(cè)量平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)用性強(qiáng), 穩(wěn)定性高的特點(diǎn),適合于小型實(shí)驗(yàn)室使用。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1是本實(shí)用新型示意圖;
[0036] 圖2是本實(shí)用新型工作流程示意圖;
[0037] 圖3是本實(shí)用新型圖像處理流程不意圖;
[0038] 圖4是本實(shí)用新型圖像采集流程示意圖;
[0039] 圖5是本實(shí)用新型步驟二尋找種子點(diǎn)示意圖;
[0040] 圖6是本實(shí)用新型步驟二計(jì)算重心坐標(biāo)示意圖;
【附圖說(shuō)明】 [0041] :
[0042] 1、底座; 2、底部支架; 3、導(dǎo)軌支架;
[0043] 4、吊架; 5、加強(qiáng)支撐板; 6、橫向絲桿固定座;
[0044] 7、固定架; 8、高速相機(jī); 9、USB攝像頭;
[0045] 10、橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī);11、橫向絲桿; 12、活動(dòng)支架;
[0046] 13、縱向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī);14、吊架活動(dòng)固定座;15、橫向絲桿限位座;
[0047] 16、縱向絲桿; 17、縱向絲桿限位座;18、縱向絲桿固定座。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)實(shí)用新型做詳細(xì)的說(shuō)明:
[0049] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器魚測(cè)量平臺(tái),該測(cè)量平臺(tái)是基于視覺(jué)跟蹤的X-Y雙 坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái),其采用序列圖像法來(lái)獲得機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù),作為控制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的 依據(jù),通過(guò)機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度,最后將獲得的相對(duì) 速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī),帶動(dòng)平臺(tái)上方攝像頭移動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí) 時(shí)跟蹤,進(jìn)而方便對(duì)仿生機(jī)器魚進(jìn)行運(yùn)動(dòng)研宄。
[0050] 作為本實(shí)用新型一種具體實(shí)施例,本實(shí)用新型提供如圖1所示的一種仿生機(jī)器魚 用測(cè)量平臺(tái),包括底座1、底部支架2、導(dǎo)軌支架3、吊架4、橫向絲桿固定座6、固定架7、高速 相機(jī)8、USB攝像頭9、橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)10、橫向絲桿11、活動(dòng)支架12、縱向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī) 13、吊架活動(dòng)固定座14、縱向絲桿16和縱向絲桿固定座18,所述底座1固定在水槽一側(cè),所 述底座1靠水槽一側(cè)的側(cè)邊上方有條形的底部支架2,所述底部支架2內(nèi)有橫向貫通的U型 卡槽,所述底部支架2